La dualidad onda-partícula es una piedra angular de mecánica cuántica, que es nuestra teoría moderna de cómo se comportan las partículas subatómicas. La dualidad establece que todas las partículas (de hecho, todos los objetos) tienen una propiedad ondulatoria asociada con ellas. Si bien la mayoría de las interpretaciones estándar de la mecánica cuántica tratan esta propiedad ondulatoria como un ingenioso truco matemático para calcular la probabilidad de que una partícula esté en un lugar u otro, algunas interpretaciones más radicales elevan la onda a una entidad real que existe tanto como las partículas. hacer. Una de estas interpretaciones, conocida como la teoría de la onda piloto, postula que cada interacción en el universo puede describirse mediante un solo conjunto de ecuaciones, si tan solo pudiéramos resolverlas.
Las olas originales
En 1924, el estudiante de doctorado en física francés Louis de Broglie propuso que la materia tiene una propiedad ondulatoria. De Broglie se inspiró en el descubrimiento de la dualidad onda-partícula en la luz. Durante siglos, los físicos habían debatido si la luz estaba hecha de partículas diminutas o de algún tipo de ondas. A mediados del siglo XIX, el debate pareció resolverse con el descubrimiento del campo electromagnético por parte de James Clerk Maxwell y su comprensión de que la luz estaba hecha de ondas electromagnéticas, según «La historia de la mecánica cuántica» (CreateSpace Independent Publishing, 2017).
Pero en 1899, el físico alemán Max Planck estaba tratando de comprender un tipo de radiación conocida como radiación de cuerpo negro (el espectro de luz emitido por un objeto calentado), y la única forma en que podía explicar sus propiedades era si permitía que se emitiera luz. en pequeños fragmentos discretos, o cuantos, lo que significa que la luz emitida podría describirse como partículas y ondas electromagnéticas.
Unos años despues, Albert Einstein propuso que no es solo la emisión de luz lo que se cuantifica, sino la luz misma. De acuerdo con Einstein, la luz está hecha de pequeñas partículas (eventualmente llamadas fotones), y cuando un montón de fotones se juntan, actúan como una onda. Esta dualidad onda-partícula, aunque radical, podría explicar multitud de experimentos y observaciones.
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Planck y Einstein propusieron que la longitud de onda de la luz es inversamente proporcional a su impulso. Entonces, cuanto más impulso (energía) tiene un fotón, menor es su longitud de onda. De Broglie tomó esta relación simple y tuvo una idea aparentemente loca. La luz tiene impulso y energía, y tiene una propiedad similar a una onda. La materia también tiene impulso y energía, por lo que quizás también tenga una propiedad ondulatoria.
Nervioso, el asesor de tesis de De Broglie le envió la idea a Einstein, quien le dio su sello de aprobación.
Ondas cuánticas
Si bien el desarrollo de la mecánica cuántica había comenzado con el trabajo de Planck, el progreso se estancó durante un par de décadas. La idea de De Broglie fue el catalizador necesario para llevar la teoría cuántica a su forma moderna. Con la realización de la dualidad onda-partícula, físicos como Erwin Schrödinger pudieron desarrollar una teoría cuántica completa que explicara el comportamiento de los electrones dentro de los átomos, según Erwin Schröodinger. papel histórico de 1926 (se abre en una pestaña nueva).
Pero la pregunta seguía en pie: ¿Qué son exactamente las ondas de materia? Schrödinger argumentó que las partículas subatómicas como los electrones están literalmente esparcidas por el espacio, pero su interpretación no estaba de acuerdo con los experimentos que mostraban que los electrones eran partículas puntuales. Luego, el físico alemán Max Born propuso una idea que eventualmente se convertiría en la llamada interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica: las ondas de materia son ondas de probabilidad que indican dónde alguien puede encontrar partículas la próxima vez que las busque. Cuando las ondas tienen valores altos, existe una gran probabilidad de encontrar una partícula.
Ondas piloto
De Broglie tuvo una idea diferente. También creía que las ondas son reales, pero no como reemplazo de las partículas. En cambio, creía que existían junto a las partículas, propagándose a través del espacio y diciéndoles a dónde ir. Nadie podía ver el verdadero camino de las trayectorias de las partículas, lo que significaba que las partículas parecían estar guiadas por la aleatoriedad cuántica, pero de Broglie argumentó que no había aleatoriedad involucrada. En cambio: las “ondas piloto” siempre supieron qué hacer.
De Broglie eventualmente abandonaría esta idea a favor de la interpretación de ondas como probabilidades, pero décadas más tarde, el físico estadounidense David Bohm la retomó y la desarrolló en una interpretación completa de la mecánica cuántica. Otros físicos se sintieron atraídos por la teoría de la onda piloto porque resolvió algunos de los principales dolores de cabeza filosóficos que asolaban la interpretación de Copenhague. En esa interpretación, la trayectoria de una partícula existe en una vaga superposición cuántica que existe en nuestras matemáticas: realmente no «sabemos» qué hacen realmente las partículas cuánticas, y solo podemos adivinar las probabilidades de que ocurran ciertos resultados.
En contraste, la teoría de la onda piloto tiene la ventaja de que todo en la teoría es real y está determinado, aquí no hay probabilidades. En cambio, en la teoría de la onda piloto (también conocida como mecánica de Bohm), la onda asociada con cada partícula se mueve a través del espacio, haciendo lo que hacen las ondas naturalmente (reflejando, interfiriendo, extendiéndose, etc.). Lo que parece ser aleatoriedad cuántica para un observador es solo un reflejo del hecho de que la verdadera trayectoria de la partícula está oculta.
Sin embargo, esta realidad debe tener un precio. Cuando dos partículas interactúan, sus ondas piloto interactúan y enredan las partículas. Enredo es un proceso de mecánica cuántica en el que los destinos de las partículas subatómicas están vinculados, incluso a través de grandes distancias, de modo que un cambio en una resultará instantáneamente en un cambio en la otra. Esto requiere una sola ecuación de onda para describir ambas partículas simultáneamente, y deben «saber» misteriosamente lo que el otro está haciendo, sin importar qué tan lejos estén. Este es un resultado estándar en mecánica cuántica y no demasiado sorprendente. Pero en la teoría de la onda piloto, este entrelazamiento se extiende a las posiciones de las propias partículas.
Como todas las partículas están entrelazadas con todas las demás partículas del universo, existe una sola ecuación de onda que describe todas las partículas simultáneamente y de alguna manera une sus posiciones. Esto significa que en la teoría de la onda piloto, los movimientos de los átomos en su cuerpo se ven afectados por el comportamiento de cada partícula en todo el universo. — y existe una sola ecuación que puede unir todo en el universo.
Si bien esta implicación no descarta la teoría de la onda piloto, hace que la propuesta sea difícil de aceptar como una teoría física adecuada; después de todo, ¿cómo podríamos afirmar con confianza que hemos aislado todos los comportamientos dentro de un experimento y entendemos ¿que esta pasando?
Enfatizar las posiciones de las partículas, y no sus velocidades, también dificulta que la teoría sea totalmente compatible con relatividad, que dice que las posiciones y las velocidades deben tratarse en pie de igualdad. Sin esta compatibilidad, es difícil expandir la teoría de la onda piloto a todas las variedades de sistemas físicos a los que se aplica la teoría cuántica (como los colisionadores de partículas de alta energía).
Podría haber una respuesta a estas dificultades algún día, y la teoría de la onda piloto ha experimentado un interés creciente en las últimas décadas. Pero hasta que la cuestión se resuelva por completo, la realidad de la dualidad onda-partícula sigue siendo una cuestión de gusto.
Esto es parte de una serie en curso que describe posibles interpretaciones de la mecánica cuántica.
